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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 대안으로 최근 IT 기술 중 언제·어디서나 유해가스를 감지할 수 있는 무선기반의 지그비 센서노드에 대해서 연구하였다.
- 본 연구는 유해가스 위험성이 노출되기 쉬운 건물 및 지하공간에 일산화탄소와 이산화탄소를 센서로 측정하고, 수집된 가스농도 및 위험성 정보를 중앙관제센터로 전송하여 위험상황을 거주자 및 건물이용자에게 알려주기 위한 경보서비스와 이동통신 서비스를 제공할 수 있도록 구성하였다.
- 제안한 센서노드의 전송거리실험 장치는 그림 11과 같이 구성하였다. 여기에서 신호발생기는 감시시스템(모니터링시스템)에서 USN으로 전송된 정보에 대해 정확성을 확인하고자 사용하였다. 신호발생기에서 발생한 사인파와 구형파의 Vp-p 신호를 지그비 센서노드 ADC에 연결하고, 최대전송 유효거리를 실험하였다.
제안 방법
- Data3은 현장 On/Off 제어를 위한 Digital I/O Port 제어신호 패킷이다. CRC는 전송된 패킷들의 오류체크를 위하여 설계하였다. ETX는 패킷의 한 프레임이 종료되었음을 알리기 위한 기호이다.
- USN은 제작한 지그비 센서노드를 사용하여 그림 9와 같이 구축하였다. USN 구성은 현장에서 유해가스를 측정할 수 있도록 CO센서와 CO2센서가 부착된 End-Device 센서노드와 제한된 유효거리 연장을 위하여 중계노드를 Route-Device 센서노드로 구성하였다. 그리고 모든 센서노드의 정보 수집에 Coordinator 센서노드로 구성하였으며, 센서노드의 구성형태는 국제표준 Zigbee 규격을 기준으로 배치하였다.
- 일산화탄소센서의 측정범위는 표 3과 같이 0ppm∼2000ppm을 갖는다. 감도는 유해가스와 공기의 비율로 나타내며, 농도결과 값은 측정범위 농도 범위에 대한 전압의 비율을 이용하여 MCU 제어장치에서 프로그램으로 제작하여 측정할 수 있도록 하였다. 그림 5는 반도체 가열방식의 일산화탄소센서이다.
- 즉 그림 15와 같이 유해가스가 발생되도록 Chamber Room 공간에 가연물질을 연소시키기 위한 Heating 장치를 제작하였다. 감지센서노드는 유해가스 발생장치 내부에 위치시키고 측정된 유해가스 정보를 USN으로 전송하도록 하였다.
- 중앙감시 및 원격제어를 위하여 KDT사의 SCADA 원격제어 HMI 개발 장치를 사용하여 프로그램을 제작하였다. 감지센서에서 측정된 정보를 인터넷 망으로 감시 및 확인하기 위하여 USN과 인터넷사이에 Gateway장치를 사용하였다. 정보표시는 직렬통신 패킷 수신알고리즘으로 그래프 컴포넌트를 연결하여 수집된 정보가 표시될 수 있도록 하였다.
- 센서노드에서 감지된 유해가스 정보를, 구축한 USN를 통해 중앙감시시스템에 전달되는 정보의 신뢰성을 검증하였다. 검증은 유해가스감지용 지그비 센서노드의 입력단자에 사인파와 펄스파 전기신호를 각각 인가하고 USN을 통하여 전송된 정보가 상대편 센서노드에 정확히 수신되는지 여부를 실험하였다. 또한, 실제 가연물질을 연소하여 CO, CO2를 발생시킨 모의실험장치에 감지센서를 부착시키고 센서로부터 직접 측정한 값과 USN에서 전송된 값을 비교분석하여 제안된 지그비 센서노드의 신뢰성을 검증하였다.
- 정보의 신뢰성을 보장하기 위하여 수신된 유해가스 값을 프로그램으로 보정하였다. 또한 HMI 프로그램에서 감지센서노드에 MCU I/O Port를 통하여 On/Off 제어신호를 전송할 수 있도록 제작하였다.
- 검증은 유해가스감지용 지그비 센서노드의 입력단자에 사인파와 펄스파 전기신호를 각각 인가하고 USN을 통하여 전송된 정보가 상대편 센서노드에 정확히 수신되는지 여부를 실험하였다. 또한, 실제 가연물질을 연소하여 CO, CO2를 발생시킨 모의실험장치에 감지센서를 부착시키고 센서로부터 직접 측정한 값과 USN에서 전송된 값을 비교분석하여 제안된 지그비 센서노드의 신뢰성을 검증하였다.
- 또한, 언제․어디서나 감시 및 정보서비스를 받을 수 있도록 Gateway장치를 인터넷 망과 연계하여 모니터링 시스템을 제작하고 원격감시 및 제어가 될 수 있도록 하였다.
- 4 PHY 물리적계층과 전송매체 흐름제어를 담당하고 있는 MAC(Medium Access Control) 계층, 물리적 계층과 네트워크 계층의 중간 역할을 담당하고 있는 DLC(Data Link Control) 계층, 각 센서노드사이에 경로설정(Routing)을 담당하고 NWK(Network) 계층, 컴퓨터 및 마이크로컨트롤러에서 직접 Zigbee Protocol를 통하여 무선통신을 용이하게 접근할 수 있도록 Zigbee 응용계층이다. 본 연구에서는 Serial Port Profile(SPP)이라는 응용프로그램을 통하여 USN에 접속하고 정보전송이 이루어진다. SPP는 일종의 센서노드에 사용되는 직렬통신 서비스 프로그램을 지칭한다.
- 본 연구에서는 정보전송 프로토콜을 위하여 그림 3의 Zigbee Protocol 최상위계층 Serial Port Profile(SPP)위에 그림 7과 같은 구조로 패킷 프로토콜을 C언어로 제작하였다. 그림 7의 패킷구조에 대한 각 세부기능은 표 5와 같다.
- 제안된 센서노드를 이용하여 넓은 지역의 유해가스 정보를 수집할 수 있도록 USN(Ubiquitous Sensor Network)를 구축하였다. 센서노드에서 감지된 유해가스 정보를, 구축한 USN를 통해 중앙감시시스템에 전달되는 정보의 신뢰성을 검증하였다. 검증은 유해가스감지용 지그비 센서노드의 입력단자에 사인파와 펄스파 전기신호를 각각 인가하고 USN을 통하여 전송된 정보가 상대편 센서노드에 정확히 수신되는지 여부를 실험하였다.
- [3] 또한 감지된 출력신호는 이산화탄소량의 변화에 따라 출력전압으로 0～3V를 제공한다. 센서모듈 출력 전압신호를 ADC 입력단자에 연결하고, 입력된 값을 MCU에서 프로그램으로 보정한 후 USN으로 전송하게 하였다. 그림 6은 비 분산적외선(N-DIR) 방식의 CO2센서모듈을 나타낸다.
- 여기에서 신호발생기는 감시시스템(모니터링시스템)에서 USN으로 전송된 정보에 대해 정확성을 확인하고자 사용하였다. 신호발생기에서 발생한 사인파와 구형파의 Vp-p 신호를 지그비 센서노드 ADC에 연결하고, 최대전송 유효거리를 실험하였다. 실험결과는 제작한 HMI 감시 및 제어 프로그램에서 확인하였다.
- 실험은 오염 되지 않은 대기 중에서 감지센서노드로부터 직접 측정한 유해가스 값과 USN망을 구성하고 인터넷에 연결된 모니터링 컴퓨터로부터 측정된 값을 비교 실험하였다. 즉 그림 15와 같이 유해가스가 발생되도록 Chamber Room 공간에 가연물질을 연소시키기 위한 Heating 장치를 제작하였다.
- 여기에서 Zigbee 국제표준 전송속도(250Kbps)를 고려하여 샘플링시간 t=0～2초 구간에 대해 실험하였다. 센서노드는 정보수집 목적으로 사용되므로 일반적으로 데이터수집 샘플링시간은 0.
- 유해가스센서는 반도체 가열방식의 일산화탄소센서와 비분산적외선감지 방식의 이산화탄소센서를 이용하였다. 유해가스 감지센서에서 측정된 신호는 MCU의 ADC회로 입력단자에 연결하고 보정 및 전송은 프로그램을 작성하여 처리하였다. 일산화탄소센서의 측정범위는 표 3과 같이 0ppm∼2000ppm을 갖는다.
- 감지센서로부터 측정된 유해가스 정보를 인터넷이 되는 곳이면 어디에서나 모니터링이 되도록 Gateway라는 변환장치를 사용하였다. 인터넷에 연결된 컴퓨터에 HMI를 이용하여 모니터링 프로그램을 제작하고 감지센서노드에서 측정된 값을 표시하도록 하였다.
- 정보표시는 직렬통신 패킷 수신알고리즘으로 그래프 컴포넌트를 연결하여 수집된 정보가 표시될 수 있도록 하였다. 정보의 신뢰성을 보장하기 위하여 수신된 유해가스 값을 프로그램으로 보정하였다. 또한 HMI 프로그램에서 감지센서노드에 MCU I/O Port를 통하여 On/Off 제어신호를 전송할 수 있도록 제작하였다.
- 감지센서에서 측정된 정보를 인터넷 망으로 감시 및 확인하기 위하여 USN과 인터넷사이에 Gateway장치를 사용하였다. 정보표시는 직렬통신 패킷 수신알고리즘으로 그래프 컴포넌트를 연결하여 수집된 정보가 표시될 수 있도록 하였다. 정보의 신뢰성을 보장하기 위하여 수신된 유해가스 값을 프로그램으로 보정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 대안으로 최근 IT 기술 중 언제·어디서나 유해가스를 감지할 수 있는 무선기반의 지그비 센서노드에 대해서 연구하였다. 제안된 센서노드를 이용하여 넓은 지역의 유해가스 정보를 수집할 수 있도록 USN(Ubiquitous Sensor Network)를 구축하였다. 센서노드에서 감지된 유해가스 정보를, 구축한 USN를 통해 중앙감시시스템에 전달되는 정보의 신뢰성을 검증하였다.
- 중앙감시 및 원격제어를 위하여 KDT사의 SCADA 원격제어 HMI 개발 장치를 사용하여 프로그램을 제작하였다. 감지센서에서 측정된 정보를 인터넷 망으로 감시 및 확인하기 위하여 USN과 인터넷사이에 Gateway장치를 사용하였다.
- 실험은 오염 되지 않은 대기 중에서 감지센서노드로부터 직접 측정한 유해가스 값과 USN망을 구성하고 인터넷에 연결된 모니터링 컴퓨터로부터 측정된 값을 비교 실험하였다. 즉 그림 15와 같이 유해가스가 발생되도록 Chamber Room 공간에 가연물질을 연소시키기 위한 Heating 장치를 제작하였다. 감지센서노드는 유해가스 발생장치 내부에 위치시키고 측정된 유해가스 정보를 USN으로 전송하도록 하였다.
- 지그비 센서노드 전체구성은 그림 1과 같이 Zigbee Protocol을 바탕으로 무선통신을 위한 ①RF유니트(Radio Frequency Unit), 원격제어 및 Gas검출 프로그램 구현을 위한 ②MCU(Micro Controller Unit), 유해가스 검출을 위한 ③Gas Sensor Unit 으로 구성하였다. 그림 2는 제작된 CO, CO2 감지를 위한 제작된 지그비 센서노드이다.
- 지상 및 지하공간의 건축물에서 유해가스로 인한 질식사고로 인명피해가 점차 증가하는 경향을 나타내고 있는 시점에서 최근 IT분야 중 환경감시와 특히 유해가스로 인한 사고방지 분야에 활발히 연구 및 개발되고 있는 지그비 센서노드를 설계하고 제작하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 패킷 프로그램 알고리즘은 그림 8과 같이 MCU 초기설정 및 Serial Port 제어방법설정, STX, ID, CRC, ETX 판단 알고리즘, 명령어처리 부분으로 설계하였다. 특히, Data 패킷의 오류체크 CRC 알고리즘을 적용하여 전송된 정보의 신뢰성을 같도록 하였다.
- 패킷 프로그램 알고리즘은 그림 8과 같이 MCU 초기설정 및 Serial Port 제어방법설정, STX, ID, CRC, ETX 판단 알고리즘, 명령어처리 부분으로 설계하였다. 특히, Data 패킷의 오류체크 CRC 알고리즘을 적용하여 전송된 정보의 신뢰성을 같도록 하였다.
대상 데이터
- MCU는 그림 4의 구조를 갖는 Texas Instrument사의 MSP430F1611를 사용하였다. 이것은 표 2와 같이 소비전력이 낮은 것이 가장 큰 특징이며, 동급 MCU 중에 가장 빠른 연산처리 구조를 갖는 16bit 연산 장치로 구성되어있다.
- 제안된 지그비 센서노드 검증을 위하여 제작한 실험장치는 그림 10과 같다. 실험장치는 감지센서 입력신호를 만들기 위한 ①신호발생기, 유해가스 감지 및 정보전송을 위한 ②지그비 센서노드, 거리연장을 위한 ③라우터 센서노드, 가연물질 연소를 위한 ④Heating 장치, 유해가스 수집을 위한 밀폐공간인 ⑤Chamber Room, 감지센서에서 직접 측정된 값을 확인 하기위한 ⑥오실로스코프, ⑦감지센서노드 등으로 구성하였고, ⑧은 수신된 유해가스 정보 확인을 위한 모니터링 및 제어 시스템 운영을 위한 컴퓨터이다.
- 유해가스센서는 반도체 가열방식의 일산화탄소센서와 비분산적외선감지 방식의 이산화탄소센서를 이용하였다. 유해가스 감지센서에서 측정된 신호는 MCU의 ADC회로 입력단자에 연결하고 보정 및 전송은 프로그램을 작성하여 처리하였다.
- 지상건축물 및 지하건축물의 밀폐된 공간에서 유해가스로 인한 질식사고가 많이 발생되고 있다. 특히, 2001년도 이후 최근 5년간 산소결핍에 의한 질식 또는 유해가스 중독으로 인한 밀폐 공간 내에서의 사고로 총 89명이 사망하였다.[1] 이와 같이 사고를 유발시키는 주요 원인으로 공기 중 산소량을 저하시키는 물질로 CO2(이산화탄소)와, 인체의 혈액중의 혈색소와 결합하여 산소운반능력을 방해, 조직중의 산화 효소를 불활성화 시켜 질식작용을 일으키는 CO(일산화탄소) 등이 있다.
이론/모형
- USN 구성은 현장에서 유해가스를 측정할 수 있도록 CO센서와 CO2센서가 부착된 End-Device 센서노드와 제한된 유효거리 연장을 위하여 중계노드를 Route-Device 센서노드로 구성하였다. 그리고 모든 센서노드의 정보 수집에 Coordinator 센서노드로 구성하였으며, 센서노드의 구성형태는 국제표준 Zigbee 규격을 기준으로 배치하였다.
- 또한 넓은 범위에 걸쳐 측정이 가능하여 최근 사물의 환경모니터링에 무선데이터 전송용으로 많이 사용되고 있다. 이러한 장점을 실현하기 위하여 표 1과 같은 규격으로 된 Digi사의 Xbee-Pro 모델의 Zigbee RF-Module를 사용하여 개발하였다. 이것은 센서노드와 노드사이의 전송거리 유효범위가 실내에서 90m내로 전송효율이 우수할 뿐만 아니라 Zigbee Protocol 표준규격에도 적합하다.
성능/효과
- [1] 이와 같이 사고를 유발시키는 주요 원인으로 공기 중 산소량을 저하시키는 물질로 CO2(이산화탄소)와, 인체의 혈액중의 혈색소와 결합하여 산소운반능력을 방해, 조직중의 산화 효소를 불활성화 시켜 질식작용을 일으키는 CO(일산화탄소) 등이 있다.[2] 유해가스 발생은 화석연료의 불완전연소로 인한 경우와 가스관로의 손상으로 거주자공간에 가스가 유입되는 경우이다. 이러한 이유로 건축물의 거주자공간에 유해가스 CO, CO2의 발생 원인이 된다.
- 둘째, 인터넷 망과 연동하여 인터넷이 되는 곳이면 시간과 장소에 구애됨이 없이 감시 및 위험 정보를 효율적으로 전송할 수 있음을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서 제작한 Zigbee 센서노드가 장애물이 없는 90m 범위 내에서 가변 입력신호 즉 정현파신호와 펄스신호를 USN망으로 전송하였을 때 입력 값과 USN망에서의 출력 값이 일치하므로 USN 구축용으로 타당함을 확인할 수 있었다.
- 따라서 이 실험을 통하여 제안된 유해가스 감지 및 모니터링을 위한 지그비 센서노드 시스템은 USN용으로 타당할 것으로 판단된다.
- 셋째, 실험에서 센서로부터 직접 측정한 값과 USN에서 측정한 값이 일치하므로 제안된 지그비 센서노드의 정보전송에 정확성을 확인하였다.
- 전송거리 실험은 센서노드 간 거리 Ls를 표 6과 같이하고, 1V, 3V, 5V를 각각 센서노드 입력단자에 인가하고 실험한 결과 최대유효거리가 90m 이내였음을 확인하였다. 그러나 장애물 등을 고려했을 때, 가장 안정적인 거리는 30m～40m 범위였다.
- 첫째, 제안한 지그비 센서노드를 사용하여 어떤 장소든 설치가 쉽고 넓은 지역 및 다양한 환경조건에서 유해가스 CO, CO2를 수집 할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서 제안한 USN용 지그비 센서노드가 지상건축물 및 지하공간에 유해가스에 대한 감시 및 장치제어용 기반기술로 타당할 것으로 판단된다. 또한 본 연구가 유해가스 사고방지 분야뿐만 아니라, 가정자동화 분야, 산업제어분야, 방재분야, 환경감시분야, 시설물 안전 감시분야, 기상 기후 변화측정분야 등 다양한 분야에 활용될 것으로 보이며, USN망 Mesh 토폴로지 기술구현에 좋은 연구자료 될 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서 제안한 USN용 지그비 센서노드가 지상건축물 및 지하공간에 유해가스에 대한 감시 및 장치제어용 기반기술로 타당할 것으로 판단된다. 또한 본 연구가 유해가스 사고방지 분야뿐만 아니라, 가정자동화 분야, 산업제어분야, 방재분야, 환경감시분야, 시설물 안전 감시분야, 기상 기후 변화측정분야 등 다양한 분야에 활용될 것으로 보이며, USN망 Mesh 토폴로지 기술구현에 좋은 연구자료 될 것으로 판단된다.
- 향후 본 연구에서 제작된 유해가스 감지용 센서노드의 장애물에 대한 전송거리의 문제점을 개선하고 지하공간과 지상건축물공간에 센서노드로부터 측정된 유해가스 정보를 사용하여 안전하고 쾌적한 실내 대기농도를 일정하게 유지할 수 있도록 열교환기와 연동한 공기질 제어시스템을 개발하고자 한다.
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